[发明专利]一种4位RISC微控制器

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域。更具体的，本发明涉及一种低成本多功能智能玩具核心控制芯片。

背景技术

微控制器种类很多，从数据总线宽度上看有四位微控制器、八位微控制器、十六位微控制器、三十二位微控制器等，从指令架构上看有复杂指令集(Complex Instruction Set Computer，CISC)微控制器和精简指令集(Reduced Instruction Set Computer，RISC)微控制器等。从体系结构上看，用于智能玩具的核心控制芯片必须集成一些专用的外设，比如语音存储器、语音输出驱动电路、LCD/LED驱动电路等。这样的控制芯片除了普通的运算和控制指令之外，还需要有足够的语音控制指令。

图1示出现有技术的普通玩具控制芯片的结构框图。现有玩具控制芯片的语音模块仅包括语音存储器105和语音驱动106，控制芯片通过对特殊功能寄存器(SFR)的操作来实现其对语音的控制。与普通芯片的数据读取、处理相似，图1所示的控制芯片的工作流程如下：CPU核101先把所要读取的语音数据的地址赋给语音地址寄存器102，语音存储器105打开并把相应地址上的语音数据传递给语音数据寄存器103，CPU核101再从语音数据寄存器103中读取数据，利用软件设计好的算法对该数据进行处理，转换成一定格式，赋给语音驱动寄存器104，语音驱动模块106把语音驱动寄存器104中的数据转换成对应的驱动信号去驱动喇叭或扬声器，经过由语音采样率确定的时间，再读取第二个数据，如此不断重复，即可从喇叭或扬声器上听到相应的语音。如上所述，整个语音播放过程都需要CPU核101不停写出语音地址、读取语音数据、处理语音数据再写出到语音驱动寄存器104并且判断语音是否结束，非常浪费CPU资源和程序资源。这种控制芯片的优点是语音编解码算法由软件实现，所以比较灵活。但其缺点也是显而易见的，如：(1)语音存储器一般为8位宽，CPU内核也是8位，采用16位的指令编码位宽，造成芯片面积偏大，成本偏高；(2)语音算法通过软件实现，占用程序存储器空间和CPU运行时间，不利于播放语音时处理其他进程，同时对采样率的计算还要另外增加一个定时器，并以中断等方式让CPU进入语音处理程序，增加了系统资源，而计算出的采样率也不够精确，如果语音算法太复杂，所需程序量太大，可能还会造成语音输出速度不均匀，影响语音效果；(3)没有语音操作指令，对语音的控制通过对相应特殊功能寄存器的相应位的操作的实现，而这些位通常是不可寻址的位，所以容易造成误操作，同时语音的结束也不好判断；(4)用软件实现语音算法，使得应用工程师必须自行开发语音算法并组织语音数据写入到语音存储器中，增加了程序开发难度和开发工具的设计难度；(5)一般此类控制器都缺少LCD驱动模块，缩小了应用范围。

为了适应对智能玩具功能性的新的需要，并提供低成本且低功耗的智能玩具，需要一种新型的智能玩具控制芯片。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种控制芯片，该控制芯片包括可独立于CPU运行的语音模块，以便语音模块运行时，CPU可同时处理其他进程，显著改善CPU的工作效率。

本发明提供一种4位RISC微控制器，包括控制模块、程序存储器、寄存器文件、复位模块、时钟模块和至少一个外围功能模块，其特征在于，

该控制模块包括指令寄存器，指令译码器，堆栈，算术逻辑单元ALU，和程序计数器，其采用二级两相流水线架构；

程序存储器用于存储单周期指令和双周期指令，每个单周期指令在执行指令的同时取出下一条指令，每个双周期指令的第一指令周期在执行指令的同时取出下一条指令，其第二指令周期在执行指令的同时重新取指令，每个指令周期分为第一相和第二相，

在所述第一相，控制模块完成堆栈入栈、程序存储器读取、寄存器读取、指令译码和ALU运算操作，

在所述第二相，控制模块完成堆栈弹出、指令寄存器锁存、寄存器写入、程序计数器改写操作。

优选地，该微控制器结构包括具有49条指令的一套精简指令集，所述指令译码器输出的信号包括：

寄存器操作类指令，指令译码器输出寄存器地址信息和读写操作信号给寄存器文件，输出运算控制信号给算术逻辑单元；

立即数指令，指令译码器输出立即数和运算控制信号给算术逻辑单元；

程序转移类指令和中断，指令译码器输出程序地址信息和跳转控制信号给程序计数器，输出堆栈控制信号给堆栈，输出中断控制信号给中断处理器；

控制类指令，指令译码器输出各种控制信号到功能模块或相应的外围功能模块；